北京國(guó)電電力有限公司上灣熱電廠 劉 萍

火電作為一種以煤炭為主要能源的發(fā)電方式，在發(fā)電過(guò)程中會(huì)消耗大量的煤炭。截至目前，已經(jīng)建成的火電廠達(dá)到了總裝機(jī)的74%，但由于煤炭資源是一種不可再生的能源，火電廠不僅耗煤量大，還造成了嚴(yán)重的水資源浪費(fèi)和環(huán)境污染，因此節(jié)能減排就顯得更加重要了。

水輪機(jī)冷端系統(tǒng)是火電機(jī)組的核心，如何對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化，提高其運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，是實(shí)現(xiàn)“資源型”可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵。本文以某發(fā)電廠國(guó)產(chǎn)60MW凝汽式機(jī)組為例，對(duì)其冷端系統(tǒng)進(jìn)行了研究，并提出了CIMS技術(shù)，取得了良好的應(yīng)用效果。研究結(jié)果的應(yīng)用將徹底解決冷端處理中的5大技術(shù)難題。

1 凝汽式汽輪機(jī)冷端運(yùn)行概況、作用及意義

在現(xiàn)代火電廠中，凝汽設(shè)備以冷源為主，冷源凝汽設(shè)備的主要作用是將汽輪機(jī)排出蒸汽，凝結(jié)成水，并在汽輪機(jī)的排氣口形成和保持一定的真空度。從蒸汽透平的工作原理可以看出，冷源凝汽設(shè)備的真空度對(duì)其效率和功率有較大的影響，凝汽器真空度的高低直接關(guān)系到冷端熱系統(tǒng)的運(yùn)行效率，也直接關(guān)系到汽輪機(jī)機(jī)組的熱經(jīng)濟(jì)性。我國(guó)在冷端部操作方面已取得一些進(jìn)展，但在相關(guān)企業(yè)和設(shè)備中還存在一些亟須解決的問(wèn)題[1]。凝汽式汽輪機(jī)如圖1所示。

圖1 凝汽式汽輪機(jī)

2 CIMS汽輪機(jī)冷端系統(tǒng)運(yùn)行優(yōu)化實(shí)例

2.1 凝汽器最佳真空與最佳冷卻水量的關(guān)系分析

在實(shí)際應(yīng)用中，冷凝器的真空并非愈大愈好，而最佳真空度的計(jì)算與控制，則是在設(shè)計(jì)與生產(chǎn)過(guò)程中必須考慮的問(wèn)題。事實(shí)上，最優(yōu)的真空度與相應(yīng)的冷卻水量有著一定的關(guān)系。當(dāng)冷卻水量增加時(shí)，凝汽器壓力降低，從而提高了汽輪機(jī)的功率和收益。然而，這也導(dǎo)致了循環(huán)水泵耗功、水資源使用費(fèi)和環(huán)保費(fèi)用的增加。隨著冷卻水量的增加，凈收益開(kāi)始增加。

最佳真空對(duì)應(yīng)于最佳冷卻水量所在位置。當(dāng)冷凝器腔內(nèi)的壓力減小時(shí)，機(jī)組的出力也增大了，這樣可以提高機(jī)組的經(jīng)濟(jì)效益。經(jīng)過(guò)進(jìn)一步的計(jì)算，得到了增加冷水量的凈收益值，會(huì)隨著排氣量的增大而增大，但是增大到一個(gè)最大值之后又會(huì)減小[2]。

2.2 凝汽器最佳冷卻水量的確定

在分析了冷凝器的最優(yōu)真空度和最優(yōu)冷水量之間的關(guān)系后，知道變化規(guī)律，想要得到最優(yōu)真空度和最優(yōu)冷水量之間真實(shí)最優(yōu)值，就需要計(jì)算最優(yōu)真空度和最優(yōu)冷水量之間的壓力。首先要對(duì)冷凝器的飽和溫度進(jìn)行分析，由于一般情況下，排出氣體壓力與排出氣體溫度之間存在著密切的關(guān)系，這樣就可以從相應(yīng)的飽和溫度來(lái)確定冷凝器內(nèi)的蒸氣壓力，并且根據(jù)其相應(yīng)的飽和溫度：tc=tw1+$t+Dt（1）進(jìn)行計(jì)算，其中tw1為冷卻水進(jìn)入后的真實(shí)溫度，即進(jìn)水端的溫度，$t為冷卻水的溫度增量，在$t=tw2-tw1（2）中，Dt為凝汽器傳熱過(guò)程中的端差。將公式（1）引入到公式（2）中，然后對(duì)其進(jìn)行移項(xiàng)處理，得出Dt=tc-tw2。在公式（1）中，tw1與周圍的溫度相關(guān)，這個(gè)值在給水管的情況下，即為周圍的冷卻水的溫度。

在循環(huán)供水的系統(tǒng)中，tw1的值即為冷卻塔位處的出水的溫度，根據(jù)冷凝器熱平衡原理，可以獲得冷凝器內(nèi)生水的上升溫度。循環(huán)冷卻水是熱循環(huán)的載體，循環(huán)冷卻水的消耗量直接影響著冷端系統(tǒng)的工作效率，而在常規(guī)工況下，當(dāng)負(fù)荷一定時(shí)，循環(huán)冷卻水的消耗量也已決定。但是局部的氣候、特定的環(huán)境條件等都會(huì)對(duì)循環(huán)水的進(jìn)口溫度產(chǎn)生影響，因此在確定其具體循環(huán)水量時(shí)，必須綜合考慮以上各方面因素，采取動(dòng)態(tài)節(jié)流的方法。通過(guò)改變凝汽式汽輪機(jī)的排氣量來(lái)計(jì)算最優(yōu)循環(huán)水量，同時(shí)對(duì)所用的循環(huán)冷水的溫度進(jìn)行變化，根據(jù)公式（1）計(jì)算出相關(guān)數(shù)據(jù)后，根據(jù)公式（1）求出飽和溫度，再計(jì)算凝氣壓力，調(diào)節(jié)進(jìn)水量，使之達(dá)到最大值。

2.3 凝汽器最佳真空值的確定

根據(jù)理論上的分析，要確定冷凝器的最佳真空度，必須經(jīng)過(guò)一系列的試驗(yàn)和計(jì)算，當(dāng)冷凝器內(nèi)的水與蒸汽接觸的時(shí)候，當(dāng)冷凝器內(nèi)的水與蒸汽接觸的時(shí)候，循環(huán)中的水將會(huì)達(dá)到一個(gè)臨界點(diǎn)，這時(shí)機(jī)組的輸出功率將會(huì)與循環(huán)泵的輸出功率相等，在這個(gè)臨界點(diǎn)之前，找出兩者之間的差距最大的那一刻，此時(shí)真空度將會(huì)是最大的，然后再用啟停裝置來(lái)保持這個(gè)真空度。

2.4 汽輪機(jī)功率、凝汽器壓力之間的關(guān)系分析

為了確定汽輪機(jī)反壓的變化，必須對(duì)升壓過(guò)程中的反壓效應(yīng)進(jìn)行分析，利用效率熱降法，曲線擬合法等可以對(duì)汽輪機(jī)壓力進(jìn)行分析。在實(shí)際應(yīng)用中，通常都是用特征曲線來(lái)擬合，該方法操作簡(jiǎn)單、精度高、實(shí)用性強(qiáng)。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)各汽輪機(jī)廠家給出的性能曲線進(jìn)行擬合，得出了在各種蒸汽負(fù)載條件下，各汽輪機(jī)的功率-排煙壓力之間的關(guān)系[3]。

2.5 在經(jīng)濟(jì)角度上優(yōu)化冷端系統(tǒng)

冷端系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)不僅要考慮節(jié)能降耗，而且還要考慮機(jī)組及電廠整體的運(yùn)行效率，所以需要從經(jīng)濟(jì)性的角度來(lái)分析用水費(fèi)用、用水量、用水量等方面的費(fèi)用。這兩項(xiàng)費(fèi)用都直接關(guān)系到汽輪機(jī)的凈利潤(rùn)，要想增加凈利潤(rùn)，就必須降低各項(xiàng)費(fèi)用。這兩者都涉及冷卻水的多少，在計(jì)算成本時(shí)，主要是以冷卻水作為參考。在計(jì)算過(guò)程中，將這兩個(gè)成本同拖動(dòng)循環(huán)水泵的電機(jī)能量消耗成本和汽輪機(jī)功率增長(zhǎng)的收入值相關(guān)聯(lián)，相關(guān)人員將所得的收入值扣除其他成本后，即為汽輪機(jī)凈利潤(rùn)[4]。

2.6 汽輪機(jī)背壓與機(jī)組電功率的關(guān)系

本文以某火電廠國(guó)產(chǎn)60MW機(jī)組為例，對(duì)其冷端系統(tǒng)進(jìn)行了研究。上汽生產(chǎn)的水力渦輪是一種中間加熱、三缸、四排蒸汽的冷凝型水力渦輪，其是由各個(gè)水力渦輪制造商提供的。利用水輪機(jī)生產(chǎn)廠家所提供的真空功校正曲線，確定了水輪機(jī)在不同運(yùn)行條件下的反壓力與水輪機(jī)功率之間的關(guān)系。結(jié)果表明，在不同的工作條件下，可以用四次方程式來(lái)擬合葉片反壓值與葉輪功率值的關(guān)系，從而得出葉輪功率值及葉輪功率值的變化。

2.7 CIMS汽輪機(jī)冷端運(yùn)行優(yōu)化

CIMS冷端熱管理系統(tǒng)能夠?yàn)榄h(huán)保電廠提高5%～10%的綜合效益（增量+減量）；其核心思路為：利用RCCS凝汽器強(qiáng)化換熱技術(shù)和CRJ三級(jí)深度水處理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)循環(huán)水質(zhì)、凝汽器、真空、循環(huán)水、冷卻塔等各部分的能量消耗與優(yōu)化。結(jié)合數(shù)學(xué)模型，使凝汽器真空度提升超過(guò)5kPa，使循環(huán)水排放達(dá)到接近零。

RCCS冷凝器強(qiáng)化傳熱系統(tǒng)是采用了一種特殊的聚合物螺旋繩，采用了一種獨(dú)特的陶瓷制成，并采用了一種高強(qiáng)度的特種鋼制成。本項(xiàng)目提出的RCCSB冷凝式強(qiáng)化傳熱系統(tǒng)，在不借助外力的情況下，以300～1800r/min的循環(huán)水流動(dòng)為驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)強(qiáng)化傳熱、在線除垢的目標(biāo)，并使換熱器傳熱系數(shù)K提高20%以上。本系統(tǒng)是計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分。CRJ三級(jí)水處理系統(tǒng)按以下方法設(shè)計(jì)。

一級(jí)：供水端。根據(jù)原水的水質(zhì)特性，設(shè)計(jì)了一種新型的濾料和鈉基離子交換膜，使出水中的濁度、膠體和硬度得到了有效地控制。二級(jí)：在運(yùn)行階段，采用生物化學(xué)試劑，采用精密投加系統(tǒng)，解決換熱器（凝汽器、冷卻塔等）的結(jié)垢與腐蝕問(wèn)題。分類3：終端處理。通過(guò)前處理+TUF管超濾+雙重反滲透膜技術(shù)，回收水的回收率可以達(dá)到80%，從而大幅度地減少了污染物的排放量，這一部分的污染也可以被內(nèi)部的生產(chǎn)流程所吸收，從而達(dá)到了外部零排放[5]。

2.8 循環(huán)水泵耗功的確定

熱電廠的循環(huán)水泵均為并聯(lián)運(yùn)行。循環(huán)水泵不能持續(xù)地調(diào)節(jié)冷卻水的流量，必須通過(guò)增大水泵的數(shù)量來(lái)實(shí)現(xiàn)。如果兩個(gè)完全相同的循環(huán)泵并聯(lián)工作，其流量就相當(dāng)于兩個(gè)單泵的等水頭流量總和，按照同樣的揚(yáng)程和流量累加原理，將每個(gè)循環(huán)泵對(duì)應(yīng)的流量進(jìn)行疊加，得到了一個(gè)循環(huán)泵的耗電量與冷卻水的關(guān)系，見(jiàn)表1。

表1 循環(huán)水泵耗電量與冷卻水量之間的關(guān)系

2.9 循環(huán)水泵最優(yōu)運(yùn)行方式工況

在此基礎(chǔ)上，基于功率增量△P，求出不同進(jìn)水溫度和出水流量時(shí)的功率增加量△C，對(duì)Δw=f（tw1,Dc）進(jìn)行繪制。當(dāng)循環(huán)泵的數(shù)量從一臺(tái)增加到兩臺(tái)時(shí)，蒸汽渦輪的動(dòng)力增加正好與循環(huán)泵的電力消耗、水資源和冷卻水的熱污染增加相同。通過(guò)計(jì)算，可以得到由單泵向雙泵轉(zhuǎn)換的界限。

3 CIMS智能運(yùn)維系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在此基礎(chǔ)上，建立了一套以實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)對(duì)冷端儀的在線監(jiān)測(cè)，并建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)現(xiàn)了冷端儀的智能化判定與分析。最終，在以上大數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計(jì)并訓(xùn)練算法，獲得最優(yōu)運(yùn)行方案，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)冷端元的遠(yuǎn)程監(jiān)控。

研究工作包括：對(duì)冷端儀進(jìn)行系統(tǒng)診斷，采集端差、循環(huán)水質(zhì)、循環(huán)水量、端差、真空度、冷幅等參數(shù)。介紹了冷卻塔的結(jié)垢情況，循環(huán)水的水質(zhì)，真空度的緊密性，冷卻塔的故障診斷。根據(jù)診斷結(jié)果，對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，主要包括：對(duì)RCCS型蒸汽發(fā)生器進(jìn)行了強(qiáng)化改造，并對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試和優(yōu)化；為了提高再生水的質(zhì)量，要考慮加不加濾水、調(diào)節(jié)配方和助劑的加入量等；對(duì)冷卻塔進(jìn)行改建時(shí)，要注意是否要更換填料，對(duì)風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化；再循環(huán)泵的改造：按經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算，決定是否進(jìn)行改造；此外，本系統(tǒng)還增設(shè)了一套遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與控制裝置。基于以上分析，對(duì)項(xiàng)目規(guī)劃進(jìn)行了設(shè)計(jì)與優(yōu)化。CIMS系統(tǒng)工作流程圖如圖2所示。

圖2 CIMS系統(tǒng)工作流程圖

4 結(jié)論

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)的持續(xù)發(fā)展，電力行業(yè)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步。但是，在我國(guó)當(dāng)前的火力發(fā)電企業(yè)的運(yùn)行中，冷端優(yōu)化問(wèn)題仍然是一個(gè)較為突出的問(wèn)題。如果冷端性能不達(dá)標(biāo)，則會(huì)影響到火力發(fā)電廠的發(fā)電效率，從而導(dǎo)致無(wú)謂的功耗增加，降低了經(jīng)濟(jì)性。為了尋找新的發(fā)展機(jī)會(huì)，火力發(fā)電廠需要在保證安全、環(huán)保的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化對(duì)成本的管控，從而提升公司的管理水平，提升公司的核心競(jìng)爭(zhēng)力。在此基礎(chǔ)上，針對(duì)火力發(fā)電單元的真空度、循環(huán)最優(yōu)用水，在兼顧全局功率特性的前提下，實(shí)現(xiàn)循環(huán)最優(yōu)用水的動(dòng)態(tài)精細(xì)調(diào)控，并構(gòu)建相應(yīng)的優(yōu)化模型，實(shí)現(xiàn)冷端最優(yōu)用水。